Atomi e molecole

Materie:	Riassunto
Categoria:	Scienze
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Data:	14.02.2007
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Da un livello di organizzazione all’altro
Gli esseri viventi sono costituiti dagli stessi componenti di cui è costituita la materia inorganica, gli atomi. Gli atomi che costituiscono la materia vivente si legano tra loro per formare le macromolecole biologiche o biomolecole. Atomi e biomolecole costituiscono i primi due livelli di organizzazione dei viventi. A ogni livello di organizzazione corrispondono modalità via via più articolate e più complesse in cui i componenti della materia vivente si strutturano per formare i sistemi viventi. Possiamo collocare i livelli di organizzazione in una scala dal più semplice al più complesso, per rappresentare l'oggetto di studio della biologia.
Le biomolecole, diverse tra loro per composizione e proprietà, formano le cellule; cellule uguali tra loro e che svolgono la stessa funzione formano i tessuti. Ad esempio, le cellule nervose presenti all'interno dell'occhio formano il tessuto nervoso che è in grado di percepire gli stimoli luminosi provenienti dall' esterno. Il tessuto nervoso assieme ad altri tessuti di tipo diverso forma un organo; nel nostro esempio l'organo è l'occhio. Organi diversi che svolgono la stessa funzione formano un apparato o un sistema: l'occhio, l'orecchio interno, il cervello e altri organi formano il sistema nervoso, le cui funzioni sono la percezione degli stimoli provenienti dall'esterno e la regolazione della contrazione dei muscoli. I differenti apparati, in collegamento tra loro, costituiscono un organismo (Un uomo è un organismo formato dal sistema nervoso, dal sistema muscolare, dall'apparato digerente, ecc).
Organismi diversi della stessa specie formano una popolazione, popolazioni differenti formano la comunità dell’ecosistema e tutti gli ecosistemi della Terra formano la biosfera. In questa modulo ci occuperemo della biologia cellulare e nei successivi dei livelli di organizzazione superiori a quello cellulare.
Per comprendere le funzioni della cellula sono necessarie alcune conoscenze sui primi due livelli di organizzazione, atomi e biomolecole. la scienza che studia le proprietà, la struttura e le trasformazioni di atomi e molecole è la chimica; in particolare la biochimica è la parte della chimica che riguarda i sistemi viventi. In questo capitolo forniremo alcune fondamentali nozioni di chimica e di biochimica.
Chimica e reazioni chimiche
La materia, vivente e non vivente, è formata di particelle che prendono il nome di atomi. L'atomo è costituito a sua volta da particelle neutre, i neutroni, particelle cariche positivamente, i protoni, e particelle cariche negativamente, gli elettroni.
In tutti gli atomi c'è una parte centrale chiamata nucleo, ove si trovano i neutroni e i protoni, e una parte periferica in cui si trovano gli elettroni Il numero dei protoni è uguale al numero degli elettroni, perciò tutti gli atomi sono elettricamente neutri. Nel linguaggio della chimica ogni atomo è indicato .da un simbolo, costituito da una lettera maiuscola oppure da una lettera maiuscola seguita da una minuscola. Ad esempio:
Fe = ferro
P = fosforo
Au = oro
N = azoto
O = ossigeno
H = idrogeno
Si chiamano elementi i componenti della materia formati da atomi uguali. Il ferro è un elemento perché è costituito solo da atomi di ferro (Fe), così come è un elemento il carbonio, perché è costituito solo da atomi di carbonio (C).
Gli atomi si possono unire tra loro attraverso i legami chimici per formare aggregati cui diamo il nome di molecole.
L'acqua, ad esempio, è costituita da molecole. Ciascuna molecola d'acqua è costituita a sua volta da un atomo di ossigeno (O) e da due atomi di idrogeno (H). Le molecole hanno proprietà diverse da quelle degli atomi di cui sono composte. L'acqua, ad esempio, ha proprietà completamente diverse dall'idrogeno e dall'ossigeno: l'acqua, a temperatura ambiente, è liquida e può essere utilizzata per spegnere incendi; l'idrogeno è un gas che prende fuoco facilmente (è addirittura esplosivo); l'ossigeno è un gas che ravviva la combustione.
Quando vogliamo indicare da quali e da quanti atomi è costituita una molecola, scriviamo la sua formula bruta, una rappresentazione convenzionale fatta da simboli e numeri. Ad esempio, H2O è l'acqua, che come sappiamo è costituita da due atomi di idrogeno (H) e un atomo di ossigeno (O); NH3 è l'ammoniaca, la cui formula indica che è costituita da un atomo di azoto e tre atomi di idrogeno; CO2 è il diossido di carbonio, costituito da un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno. Il numero scritto a sinistra indica il numero di molecole: 2H2O si legge «due molecole di acqua», 3NH3 «tre molecole di ammoniaca». Le formule di struttura forniscono tutte le informazioni che si possono ricavare dalle formule brute e in più descrivono come sono uniti gli atomi Il simbolismo usato per indicare un legame chimico è un trattino (_) che congiunge gli atomi.
Le reazioni chimiche sono trasformazioni della materia nel corso delle quali molecole con determinate proprietà, i reagenti, si trasformano in molecole con proprietà diverse, i prodotti. Nel corso delle reazioni chimiche si rompono i legami chimici che legano glia atomi delle molecole dei reagenti e si formano i legami chimici che legano gli atomi delle molecole dei prodotti. Esempi di reazioni chimiche sono la combustione dell’idrogeno con produzione di acqua, la formazione di ruggine sulla superficie del ferro o la cottura di un uovo.
Elettroni di legame e legame ionico
La formazione di un legame chimico tra due atomi dipende dagli elettroni (e-)che si trovano alla periferia dell'atomo. Ogni atomo ha un numero diverso di elettroni: l'idrogeno (H) ne ha uno solo, il carbonio (C) ne ha 6, il ferro (Fe) 26, l'uranio (U) 92. Di questi elettroni, però, soltanto quelli che stanno nella parte più esterna dell'atomo (i chimici la chiamano il guscio più esterno) sono interessati alla formazione del legame e prendono il nome di elettroni di legame. Gli elettroni di legame possono essere, a seconda dei diversi tipi di atomi, 1, 2, 3... fino a un massimo di 8 e si indicano con puntini posti ad incorniciare il simbolo dell'atomo.
Gli atomi con otto elettroni nel guscio più esterno sono molto stabili. Quelli che ne hanno uno solo tendono spontaneamente a cederlo quelli che ne hanno due tendono a cederne 2. Naturalmente l'atomo che cede l’elettrone non ha più le proprietà originarie; non lo chiameremo perciò più atomo, ma ione e, nel nostro caso particolare, ione positivo.
Lo ione è positivo perché una delle cariche dei protoni non è più neutralizzata dall'elettrone che è stato ceduto. Lo ione positivo ha tante cariche positive quanti sono gli elettroni ceduti:
Na N Na+ + 1e-
Ca Ca++ + 2 e-
Fe Fe+++ + 3 e-
Gli ioni negativi si formano quando gli atomi acquistano gli elettroni che mancano per, arrivare a 8 elettroni nel guscio più estèrno:
Cl + 1e- Cl-
O + 2e- O- -
Ogni atomo ha una specifica tendenza a trattenere gli elettroni, misurata da una grandezza chiamata elettronegatività. Se fra gli atomi che reagiscono c'è una forte differenza di elettronegatività. L'atomo più elettronegativo può acquistare uno o più elettroni dall'atomo meno elettronegativo. In questo modo si formano ioni negativi e ioni positivi. La forza di attrazione elettrostatica che si esercita tra ioni positivi e ioni negativi prende il nome di legame ionico.
Quando due atomi reagiscono tra loro, formano un composto. Nel caso di sodio (Na) e cloro (Cl) si forma:
Na + Cl N [Na + Cl-- (ion)
o più semplicemente NaCl, il cloruro di sodio, il comune sale da cucina.
In realtà la formazione di ioni non riguarda due soli atomi, ma molti miliardi di atomi e perciò molti miliardi di ioni. Si forma un cristallo ionico all'interno del quale ogni ione Na+ è attratto in tutte le direzioni dagli ioni Cl- e viceversa.
La formula bruta NaCl indica l'unità elementare del cristallo ionico, il rapporto minimo tra Na e Cl.
Le molecole e il legame covalente
L’esistenza di molecole come la molecola d'acqua o la molecola di idrogeno (cfr. § 33.2.) non può essere spiegata attraverso il legame ionico. All'inizio del nostro secolo uno scienziato americano, G. N. Lewis, ipotizzò che il legame chimico potesse formarsi anche in un altro modo.
Supponiamo di avvicinare due atomi di idrogeno: fino ad un certo punto prevale la forza di repulsione tra gli elettroni dell’uno e dell’altro che hanno la stessa carica (negativa); poi, superata una distanza critica, il nucleo (positivo) del primo atomo di idrogeno fa sentire la propria forza di attrazione sull'elettrone del secondo atomo, così come il nucleo del secondo atomo di idrogeno fa sentire la propria attrazione sull'elettrone del primo. La forza che tiene ora uniti i due atomi è il legame covalente. In un legame covalente non è più possibile attribuire a ciascun atomo il proprio elettrone: la coppia di elettroni è condivisa dai due atomi. Si è formata una molecola che ha proprietà diverse da quelle dei singoli atomi che la costituiscono.
La stabilità della molecola di H2 è data dal fatto che i due elettroni sono perfettamente condivisi dai due atomi; potremmo dire che statisticamente passano il 50% del loro tempo attorno a uno dei due atomi e il restante 50% attorno all'altro.
Il legame covalente è il legame che si forma tra due atomi che mettono in comune una coppia di elettroni.
Il legame covalente che si forma tra atomi uguali, o che hanno comunque la stessa elettronegatività, prende il nome di legame covalente puro.
Il legame covalente può essere rappresentato appaiando gli elettroni di legame (H:H) o, semplicemente, con una lineetta che unisce i simboli dei due elementi (H - H).
Un legame covalente può formarsi anche tra due atomi diversi e con diversa elettronegatività, che non abbiano la forza di strapparsi elettroni e formare così un legame ionico. È ciò che succede tre idrogeno e ossigeno nell’acqua e tra azoto e idrogeno nell’ammoniaca. In questi casi, poiché uno dei due atomi tende ad attirare elettroni più dell’altro, la coppia o le coppie di elettroni in comune tendono a passare più tempo attorno a uno dei due atomi. Il legame che si forma prende il nome di legame covalente polare.
Un legame covalente polare è un legame in cui le coppie di elettroni di legame tendono a stare più tempo attorno agli atomi più elettronegativi, polo negativo e minor tempo attorno agli atomi meno elettronegativi, polo positivo.
Le molecole i cui atomi sono tenuti assieme da questi legami, pur essendo globalmente neutre, sono molecole polari.
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